1 引言

    對于大多數(shù)的電子設(shè)計，比如低頻模擬或數(shù)字電路，版圖布局過程與仿真過程是分開的、相獨立的。RF和微波設(shè)計要求仿真同版圖緊密相連，版圖布局對于電路性能是關(guān)鍵的，應(yīng)作為設(shè)計過程的一個集成部分。版圖布局過程通常會引入像寄生或者耦合這些不希望的因素，從而使電路特性漂移或者退化，特別是對于高頻或者高密版圖。為了實現(xiàn)一次設(shè)計成功，電路設(shè)計和版圖布局完成之后，進(jìn)行版圖級的電磁場驗證是很重要的。

    在這篇文章中，我們提出一個復(fù)合的電磁和電路分析方法實現(xiàn)MMIC的版圖驗證。電路仿真的長處在于其效率和靈活性，而電磁場仿真能處理任意的結(jié)構(gòu)以及寄生、耦合和輻射等效應(yīng)。提出的方法已實現(xiàn)在商用EDA軟件ADS中，兩個MMIC實例證實了版圖電磁驗證的重要性和精確性。

2 方法

    [1]電磁基版圖驗證包含二個連續(xù)的步驟：全電路版圖無源部分的電磁仿真和包含電磁仿真結(jié)果的全電路分析。

    [2]用作電磁分析的無源部分不包含半導(dǎo)體器件以及連接輸入、輸出和偏置等的鍵合引線。如果電路中的器件模型采用S參數(shù)文件，則電磁分析的頻率僅包含頻段內(nèi)的各頻率點；如果電路中的器件模型采用非線性模型而且要進(jìn)行S參數(shù)分析，則電磁分析的頻率還包括DC；如果電路中的器件模型采用非線性模型而且要進(jìn)行大信號分析，則電磁分析的頻率還包括DC、頻段內(nèi)各頻率點的各次諧波。電磁分析方法的選擇與分析的頻段和電路對象有關(guān)。當(dāng)電路是電小尺寸的、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且沒有輻射現(xiàn)象，準(zhǔn)靜態(tài)電磁方法是一個好的選擇，它可完成快速而準(zhǔn)確的仿真；否則，應(yīng)該考慮全波電磁仿真，比如矩量法。

    [3]全電路仿真包含了多端口電磁仿真數(shù)據(jù)、半導(dǎo)體器件、必要的健合線以及信號、負(fù)載和偏置源。此階段實際上是通常的電路仿真，像S參數(shù)、諧波平衡和大信號S參數(shù)等分析，都能執(zhí)行。

    [4]本文方法實現(xiàn)在ADS中。電磁仿真利用了其2.5D平面電磁模擬器Momentum。Momentum包含了兩種仿真技術(shù)：準(zhǔn)靜態(tài)電磁仿真(Momentum RF)和全波矩量仿真(Momentum MW)。電磁、電路、版圖、顯示等所有的設(shè)計環(huán)節(jié)集成在單一的設(shè)計環(huán)境之下，相當(dāng)?shù)姆奖恪?/p>

3 兩個應(yīng)用實例

（1）Ka波段功率MMIC

    這是一個MESFET單級放大器，其設(shè)計頻段是34.5～35.5GHz，大信號增益大于4dB，輸出功率大于100mW。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用了微帶傳輸線段、開路分支線和薄膜電容等。為了提高電路穩(wěn)定性，在輸入端設(shè)計了一個薄膜電阻與電容的組合網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)化的大信號增益和功率特性示于圖1和圖2（實線），用作電磁分析的、不包含器件和鍵合的電路版圖示于圖3。電路的實測結(jié)果顯示了32～33GHz頻段，其它指標(biāo)滿足要求。圖4給出了用作電磁驗證的電路圖，在此基于電磁的全電路無源部分以一個6端口S參數(shù)元件表征。

圖1 Ka-band MMIC：輸出功率對頻率

圖2 Ka-band MMIC：輸出駐波比對頻率

圖3 Ka-band MMIC:電路版圖(不含器件和鍵合）

圖4 Ka-band MMIC:包含版圖電磁分析數(shù)據(jù)的全電路大信號S參數(shù)仿真電路

    電磁仿真采用全波矩量法，感興趣的頻段是32～37GHz，步長為1GHz，考慮4次諧波，總計包含25個頻率點、每個頻率點求解2500多個電流變量。整個仿真求解，在P4 1.7GHz微機上花了大約1小時30分鐘。基于版圖電磁分析的電路仿真結(jié)果顯示在圖1和圖2（虛線）中。仿真結(jié)果清晰地顯示出中心頻率已下移至33.5GHz。頻帶的下移很可能是由于版圖寄生效應(yīng)。一個邏輯的設(shè)計改進(jìn)方法是使電路優(yōu)化的頻率指標(biāo)高于要求的指標(biāo)，版圖設(shè)計完成后再進(jìn)行電磁場分析驗證。

（2）2～7GHz功率MMIC

    另一個電路實例是一個寬頻帶功率單片電路。其要求的頻段為2～7GHz，大信號增益>15±0.5dB，1dB增益壓縮點的輸出功率>400mW。該放大器設(shè)計為兩級，前級采用1個1250um×0.5umHFET器件，后級采用2個相同的器件。有耗匹配技術(shù)用來展寬頻帶。電路的優(yōu)化結(jié)果是很好的，示于圖5和6（實線）。但實測結(jié)果展示了±1dB的增益平坦度和在6GHz以上增益特性的明顯衰減。為了診斷這個電路問題，執(zhí)行了一個基于電磁的版圖驗證分析。在此選擇了準(zhǔn)靜態(tài)電磁仿真(Momentum RF)，考慮1～8GHz頻段、1GHz步長間隔、4次諧波，總計是22個頻率點、每頻率點求解6000多個電流變量。全部過程在P4 1.7GHz微機上花了大約2小時10分鐘。不包含HFET器件和外鍵合引線的電路版圖如圖7示意，用作全電路驗證的電路圖如圖8所示。這個基于電磁的仿真結(jié)果顯示在圖5和6（虛線）中，顯示出電路的特性不能滿足指標(biāo)要求。仔細(xì)的分析研究正在進(jìn)行，偏置電路、有耗電阻以及電容的布局可能有問題。

圖5 寬帶MMIC:輸出功率對頻率

圖6 寬帶MMIC:輸入駐波比對頻率

圖7 寬帶MMIC:不包含HFET器件和外鍵合引線的電路版圖

圖8 寬帶MMIC:包含版圖電磁分析數(shù)據(jù)的全電路大信號S參數(shù)仿真電路

4 小結(jié)

    本文提出了MMIC的版圖級電磁分析方法并應(yīng)用到兩個實際的電路問題。該方法可用作為設(shè)計驗證或者故障診斷，以提高設(shè)計成功率。這個電磁驗證技術(shù)可直接推廣到Si RFIC的設(shè)計過程。

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本文標(biāo)題：用Momentum和ADS完成微波IC的精確仿真

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